蒸汽管道超聲波無損檢測焊縫缺陷的分析

陳晨

中國石油大港油田檢測監(jiān)督評價中心鍋爐壓力容器檢驗所(天津300280)

蒸汽管道超聲波無損檢測焊縫缺陷的分析

陳晨

中國石油大港油田檢測監(jiān)督評價中心鍋爐壓力容器檢驗所(天津300280)

介紹了如何依據(jù)管道焊縫缺陷評定規(guī)范對缺陷進行判定以及分析處理。通過此管道超聲波檢測的工藝和方法，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)所檢管道直管與彎頭對接焊縫中存在大量線性缺陷和點狀缺陷，外觀檢測中發(fā)現(xiàn)了嚴重錯邊、坡口形式選用不當、不等厚對接焊接等問題。基于上述缺陷和問題結合文獻、標準對缺陷成因進行分析，總結了母材為10CrMo的蒸汽管道焊接方法與工藝，以及超聲波檢測中發(fā)現(xiàn)線性缺陷的方法。

蒸汽管道;超聲波無損檢測;缺陷成因

2014年8月受某熱電公司委托對其蒸汽管道焊縫進行超聲波無損檢測。被檢部位是管道彎頭與直管的對接焊縫，此焊縫為手工焊，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)焊縫存在大量缺陷，利用焊接規(guī)范和檢測標準，對缺陷的成因進行分析，達到指導焊接和檢測工作的目的。

1 被檢管道的情況說明

被檢管道名稱為1#機主蒸汽管道，該管道于2008年9月投入使用，使用壓力10MPa，溫度450℃，材質為10CrMo，規(guī)格為Φ273mm×32mm，使用超聲波檢測其壁厚，直管厚32mm，彎頭厚36mm。在該管道停工維護期間進行超聲波無損檢測，檢測部位是直管與彎頭的對接焊縫。檢驗前，將焊縫部位打磨至金屬光澤，在查閱該管道的制造安裝資料時，發(fā)現(xiàn)缺少該管道焊接工藝的記錄，缺少焊接工藝記錄不利于焊縫缺陷的成因評價。運用檢驗標準、焊接規(guī)范對檢測中發(fā)現(xiàn)的問題進行評價，能夠準確地分析缺陷成因。

2 檢測設備和工藝的選擇

2.1 根據(jù)被檢管道的規(guī)格選擇試塊與探頭

所檢管道外徑為273mm，半徑R為136.5mm，探頭接觸面寬度W為13mm，則W2/4=42.25，檢測面曲率半徑R＞W(wǎng)2/4時，可采用平面對比試塊調節(jié)儀器。管道厚32mm，厚度適中，時基線可按深度1:1調節(jié)。由于彎頭部分的限制，不能從彎頭側進行掃查，應采用兩種不同K值(焊頭的斜率)的探頭在直管側分別進行掃查，再考慮探頭要適合管道厚度，最終選擇K=2、K=2.5兩種探頭比較合適。

2.2 確定掃查靈敏度和掃查方式

檢測用的超聲波探傷儀型號為HS611e，使用CSK-IA、CSK-IIIA試塊調校儀器，分別制作K=2和K=2.5兩種K值探頭的距離-波幅曲線，該曲線由評定線、定量線和判廢線組成。檢測靈敏度：Φ1×6-9dB;評定線：Φ1×6-9dB;定量線：Φ1×6-3dB;判廢線：Φ1×6+5dB。表面補償6dB，對焊縫進行100%掃查，合格等級定為Ⅰ級合格。掃查方式見掃查示意圖(圖1)。

3 超聲波檢測中缺陷的檢出方法及類型識別

3.1 超聲波檢測中識別缺陷類型

在超聲波檢測中，缺陷的類型是指缺陷是點狀、線狀、體積狀、平面狀或是多重缺陷。識別缺陷的類型是估判其性質的前提和基礎。如線狀缺陷有明顯的指示長度，但不易測出其斷面尺寸，線狀夾渣、線狀未焊透或線狀未熔合均屬這類缺陷。這類缺陷在長度上也可能是間斷的，如鏈狀夾渣、斷續(xù)未焊透和斷續(xù)未熔合[1]。

3.2 超聲波檢測中線狀缺陷的檢出方法

1)在掃查時先使用鋸齒狀掃查，發(fā)現(xiàn)回波高度超過定量線時，使用轉動和環(huán)繞掃查，觀察回波高度先找到最高波。

2)在出現(xiàn)最高波的位置沿焊道平行方向進行掃查，判斷缺陷是否是線狀缺陷，并且判斷其是連續(xù)的線狀缺陷還是斷續(xù)的線狀缺陷。若是連續(xù)的線狀缺陷其回波高度基本保持不變;若是斷續(xù)的線狀缺陷在缺陷長度方向上，波高會有明顯降落，此時在明顯斷開的位置附近作轉動和環(huán)繞掃查，如觀察到在垂直方向附近波高迅速降落，且無明顯的二次回波，則證明缺陷是斷續(xù)的。

3)回到出現(xiàn)最高波位置扭動探頭方向掃查，判斷缺陷斷面是圓柱形或是平面狀。若是圓柱形斷面缺陷，聲術垂直于缺陷縱軸時，作聲軸距離修正，回波高度變化較小;若是平面狀斷面缺陷，從不同方向、角度檢測時，回波高度在與缺陷平面垂直方向應有明顯降落。以此估判此缺陷的類型和性質。

3.3 超聲波檢測線狀缺陷與點狀缺陷的區(qū)分方法

在進行環(huán)繞掃查時，線性缺陷的最大反射波幅度呈不規(guī)則的起伏變化，點狀缺陷的回波十分尖銳，且波幅下降很快[1]。圖2中，虛線展示了在探頭進行環(huán)繞掃查時反射波波幅的變化情況，如圖2(a)所示反射波呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏，探頭環(huán)繞移動時反射波隨之起伏變化，出現(xiàn)此類反射波的缺陷為線狀缺陷;如圖2(b)所示反射波呈現(xiàn)尖銳變化，探頭環(huán)繞移動時反射波突然消失或突然出現(xiàn)，出現(xiàn)此類反射波的缺陷為點狀缺陷。

4 超聲波無損檢測結果

在1#機主蒸汽管道(4.5m)處編號為H1至H7的7道焊縫發(fā)現(xiàn)缺陷，缺陷反射波波高在判廢線以上，如圖2中顯示的缺陷回波連續(xù)出現(xiàn)，缺陷埋藏深度普遍在25～32mm深處，缺陷長度從26mm到40mm不等，缺陷位置為焊縫底部，以線狀缺陷為主，伴有部分點狀缺陷，估判其主要缺陷為未熔合缺陷，缺陷評級為Ⅲ級。并且，在外觀檢查過程中，使用焊縫測量尺測量該管道對接焊縫的錯邊量，最大處達到5mm，超出標準要求。圖3為缺陷位置示意圖。

5 焊縫缺陷成因分析

5.1 分析材質特性

所檢管道的材質為10CrMo耐熱鋼，屬于合金鋼，具有一定的淬硬傾向，易產生焊接冷裂紋，焊接前必須預熱，焊后進行熱處理。接頭型式及坡口尺寸應在保證良好融合的情況下，填充金屬越少越好[2]。

5.2 分析不等厚對接接口的加工問題

對不等厚對接接口應當進行加工，避免產生錯邊，從而避免缺陷的產生。所檢管道直管壁厚為32mm，彎頭與直管對接部位壁厚為36mm，屬于不等厚對接焊接。在進行不等厚對接焊接時，管子組對質量，不僅直接影響焊工的操作，也是保證焊接質量的重要因素。管子內壁應齊平，防止錯口，造成根部未焊透，必須采用專用對口夾具[3]。外壁尺寸不相等的不等厚對接焊件坡口加工如圖4所示。

所檢管道彎頭壁厚δ2=36mm直管壁厚δ1= 32mm，δ2-δ1=4mm，應當采用圖4中(a)所示的坡口加工方法，對粗管徑的彎頭接口外壁進行修磨過度。而所檢管道接口未進行坡口加工，直接使用不等厚的接口對接，導致了嚴重的錯邊，使焊接質量下降。

此管道對接焊縫的錯邊量最大處達5mm，已經超出了DL/T 869-2012《火力發(fā)電焊接技術規(guī)程》中規(guī)定的“對接單面焊的局部錯口值不應超過壁厚的10%且不大于1mm”[4]。錯邊量越大，焊接時越容易產生未焊透，如果存在未焊透，不僅會影響焊接接頭的性能，而且在管道使用過程中容易形成應力集中，縮短管道使用壽命[5]。在所檢焊縫中的線性缺陷中緊貼焊縫底部的缺陷應為未焊透，這里的未焊透是由嚴重的內壁錯邊引起的。

5.3 分析坡口型式與角度的選擇問題

在DL/T 869-2012《火力發(fā)電焊接技術規(guī)程》中規(guī)定了焊件組對時推薦的坡口形式與尺寸：當壁厚t≤16mm時，采用V型坡口，坡口角度30?！?5。;當壁厚為16mm＜t≤60mm時，采用U型坡口，坡口面角10。～15。[4]。此壓力管道直管壁厚為32mm，已經超過了V型坡口的適用壁厚，但是在設計安裝過程中仍采用了V型坡口。坡口的型式和尺寸選擇不正確，有可能增加焊接應力和變形，或產生缺陷。焊接時，由于坡口角度小，再加上焊前未將坡口清理干凈，焊接電流過小，熔渣來不及浮起容易產生夾渣或夾雜物。所檢管道中存在的點狀缺陷應為夾渣、夾雜物。

5.4 分析焊接前焊道清理的問題

在所檢管道焊縫中存在未熔合、夾渣、夾雜物，缺陷的深度距離外壁25mm至32mm，這個位置大致處于封底焊縫上表面靠直管坡口一側，所以推斷這些缺陷的形成是在進行封底焊接之后，沒有對坡口及封底焊縫進行清理，坡口或焊縫上存在雜質，在進行層間焊過程中，這些雜質被趕到坡口側面，影響了焊道與坡口之間、焊道與焊道之間的熔合，進而產生了未熔合、夾渣、夾雜物這些缺陷。

5.5 綜合以上分析判斷管道焊縫缺陷的成因

1)通過分析，所檢焊縫中線狀缺陷大部分在層間位置的缺陷是未熔合，有一小部分在焊縫底部的是未焊透;點狀缺陷為夾渣、夾雜物。

2)未熔合，產生原因是坡口不干凈，熔焊時，焊道與母材之間或焊道與焊道之間由于雜質的存在未能完全溶化結合。

3)未焊透，產生原因是，管道直管與彎頭不等厚對接沒有采取修磨措施，組對質量差引起嚴重的錯邊，焊接過程中內錯邊部分不能焊透。

4)夾渣和夾雜物，產生原因是被焊邊緣和各層焊縫清理不干凈，焊道中殘留非金屬雜質或者熔渣，加上坡口選擇角度過小，進行層間焊時雜質及熔渣來不及浮起，留在焊縫中產生缺陷。

6 結論

在壓力管道無損檢驗工作中發(fā)現(xiàn)缺陷應當結合焊接規(guī)范和檢測標準進行分析，了解缺陷成因，積累檢驗經驗并有目的地指導焊接和檢測工作，以提高焊接和檢測的工作質量，達到加強壓力管道焊接質量控制的目的。

[1]JB/T 4730.3-2005承壓設備無損檢測第3部分：超聲檢測[S].

[2]沈松泉，黃振仁，顧竟成.壓力管道安全技術[M].南京：東南大學出版社，2000.

[3]郝建.壓力管道焊接質量控制分析[J].中國新技術新產品，2010(24)：48.

[4]DL/T 869-2012火力發(fā)電焊接技術規(guī)程[S].

[5]屠俊.直縫大口徑蒸汽管道焊縫缺陷解剖及評估[J].化工設備與管道，2004(1)：25-28.

How to judge pipeline defects and analyze and deal with the defects according to pipeline weld defect assessment specification is introduced.Through this pipeline ultrasonic testing technology and method，a lot of linear defects and point defects are found in the butt weld of straight pipe with elbow，and serious butt-joint displacement，improper groove type selection，unequal thickness butt welding and other problems are found in the appearance inspection of the pipeline.The forming causes of the defects and the problems above are analyzed according to literatures and standards，and the welding method and technology steam pipe of parent material 10CrMo，as well as the method of finding linear defects in ultrasonic testing are proposed.

steam pipeline;ultrasonic nondestructive testing;defect formation reason

左學敏

2015-03-06

陳晨(1987-)，男，助理工程師，現(xiàn)主要從事無損檢測方面的工作。